從動力電池談電動汽車的安全問題

    近年來，隨著電動汽車的快速發展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，又成為汽車行業的新的話題和難點。由于人們對新事物的認知有個過程，初期難免抱有懷疑和不信任的態度，所以任何一次有關電動汽車的安全事故，都會導致公眾對電動汽車安全性的疑慮進一步加深，阻礙電動汽車的發展和普及。

    其實，傳統的燃油車由于碰撞或自燃所導致的車輛起火事故，每年在全球都會發生很多起，造成嚴重人員傷亡的也為數不少，并不會造成公眾的廣泛關注和質疑。公眾之所以對電動汽車的安全事故這么敏感，除了電動車發生事故時，通常會伴有火、聲、光、煙霧等“特殊效果”，很重要的原因是出于對高能量載體“電池”的恐懼。手機電池起火爆炸，炸傷甚至炸死人的事情尚且有之，更何況那么巨大的電動汽車動力電池呢?

    電動汽車(包括混合動力汽車)與傳統的燃油車有很多相同之處，又有一些不同之處。其運行工況、使用環境、車身結構、內外造型等基本沒有什么差異，最大的差別在于驅動方式和能量的來源。因為引入了電力驅動，所以就存在諸如“電擊”和“短路”之類的風險，因為有高能量載體的存在，就存在能量瞬間釋放(顯然不是我們期望的)所造成的起火和爆炸風險。因為化學電池本身的穩定性問題，又會帶來許多超出人們“傳統”認知的風險。

    新生事物總是脆弱的，要經受各種懷疑，更何況是與人身安全息息相關的車輛呢?愿意拿自己的生命做賭注，去嘗試和接受不可靠不安全產品的人，我想畢竟是少數吧。所以，不管是國家層面的法規和標準，還是企業層面的產品和技術研發，都必須做到以人為本，切實的解決產品的風險和隱患，消除民眾的疑慮，從而推動新能源汽車的發展。我們，沒有任何理由拿不成熟不可靠的產品，來忽悠公眾和消費者，為企業或個人的私利服務。下文將從動力電池的各項參數詳細解析動力電池的安全要素。

    一、動力電池系統的構成

    作為電動汽車的動力來源，或動力來源之一，動力電池系統通常由電芯(Cell)、電池管理系統(BMS)、冷卻系統(Coolingsystem)、線束(Harness)、外殼(Housing)、結構件(mechanicalparts)等相關組建構成，如下圖所示：

     可以看出，動力電池系統的構成還是相當復雜的，既有電芯這類化學物體，也有復雜的電子電氣系統和熱管理系統，還有傳統的各類機械部件，涉及到的專業種類非常的多，加上惡劣的運行環境，所面臨的安全風險也很廣泛。

    二、動力電池系統所面臨的安全風險

    動力電池系統所面臨的安全風險，主要與其內部部件的特性和外部的使用和運行環境相關，構成了產品安全設計的主要挑戰。

    1)電芯會不會起火爆炸？

    動力電池系統所采用的電芯，其能量密度非常高，以磷酸鐵鋰電芯為例，能量密度可達120Wh/kg，換算成焦耳，1千克的磷酸鐵鋰電芯含有120×3600焦耳=0.43MJ。那么TNT炸藥釋放的能量有多少呢?1克TNT炸藥可釋放4184焦耳的能量，換算下來，1千克的磷酸鐵鋰電芯蘊含的能量相當于103克的TNT炸藥。

    一輛純電動汽車，其使用的電芯通常重達幾百公斤，以100公斤電芯計算，總能量就相當于10公斤TNT炸藥。換著是誰，心里都會發毛，這東西會不會不穩定，會不會起火，甚至爆炸啊?

    2)會不會產生電擊事故？

    為了提升整車的驅動效率，動力電池的直流輸出電壓通常都在100V以上，有時高達400V以上，有一定電氣常識的人都知道，直流電壓超過60V，就是危險電壓。

    每年，因為電器、電線、電力設備等漏電所造成的電擊事故，都會發生很多，也經常見諸媒體。我小的時候就被裸露的220V電線電擊過，那種滋味永生難忘。那么，人們也有理由疑慮，電動汽車里面的高壓帶電部件，會不會漏電，并進而造成電擊事故?

    3)能不能經受各種惡劣的環境？

    車輛的運行和使用環境非常復雜，既要經受高溫高濕的考驗，也有高原高寒的折磨，有平坦的鋪裝里面，也有崎嶇不平的非鋪裝路面，既有極其干燥的地區，也有需要經常涉水的地方。

    車輛在行駛過程中，要經歷高低溫的循環考驗，要經歷沿海的腐蝕性氣候，要經歷暴雨洗禮和大水浸泡，要經受各種沖擊、振動、跌落、甚至碰撞和翻滾。那么，在這些客觀的環境面前，動力電池系統能夠經受考驗，不產生嚴重的安全風險嗎?

    4)能不能經受各種濫用？

    當產品銷量足夠大的時候，產品的使用，總有超過規定極限的情況或一些意外的情況，這是不可避免的。以手機為例，當充電保護失效的時候，手機電池可能因為過充而起火或爆炸。如果手機電池被尖利的金屬穿刺，也有可能發生爆炸。

    那么，電動汽車的動力電池系統能夠經受類似的濫用考驗，不造成安全事故嗎?這些濫用的情況，既有人為造成的，也有客觀環境造成的。

    5)電池管理系統失效了怎么辦？

    動力電池系統有一套復雜的管理和控制系統，時刻采集整個動力電池包的各種運行參數，進行計算、診斷、通信和開關控制。系統越智能化，當其發生故障時，后果也就越嚴重。

    舉個例子，如果動力電池包內部的某個電芯過熱，熱管理系統失效，電芯存在熱失控的風險，而這個時候的溫度傳感器壞了怎么辦？軟件程序不能正常判斷并下發切斷指令怎么辦？又或者本該執行斷開動作的開關，不能正常的斷開怎么辦？風險是否會蔓延，并造成嚴重的安全事故？

    三、動力電池安全設計的目標

    動力電池系統的安全設計，基本上圍繞以上提到的內部組件構成和可能發生的安全風險展開，確定合理的目標和框架，指導具體的產品開發工作。 

    1)化學安全

    電芯發生熱失控，可能會產生電解液泄漏、起火和燃燒等現象，但其破壞力是遠遠不能與炸藥相比的。炸藥爆炸時，能量在極短的時間內釋放出來，所以威力巨大，而電芯的熱失控，其能量的釋放是一個漸進的過程，加上電動汽車的電池包是由很多個電芯串并聯組成的，通常僅有1個或幾個電芯發生故障，有足夠的預警和處置時間。

    針對電芯而言，如何確保各種運行條件和使用情況下的化學和熱穩定性，確保不產生安全風險，這是必須要考慮和解決的問題。需要考慮的情況包括：

    ·額定范圍內的正常工況

    ·長距離運輸和長時間存儲

    ·極端情況，如針對電芯的過充、過放、擠壓、穿刺、火燒等

    ·在各種情況下，都要為電芯的安全性確定合理的設計目標，貫穿到電芯的開發過程中。

    針對動力電池系統的其他組件而言，化學安全還涉及到電解液或冷卻液泄漏所導致的化學腐蝕(有可能造成內部短路)、鹽霧腐蝕、阻燃、和有害氣體排放等。

    2)電氣安全

    針對動力電池包內部的電子電氣系統而言，電氣安全是首要考慮的因素，各種與“電”有關的安全風險，都必須考慮到：

    ·絕緣配合

    ·等電位(接地)

    ·短路防護

    ·絕緣狀態監控

    ·高壓連接器互鎖

    ·高低壓隔離

    ·電磁兼容性(EMC)

    ·故障自診斷

    電氣安全，不僅要考慮被動防護，如各種線纜和連接器的絕緣保護，高低壓連接器的閉鎖裝置，以及良好的電磁兼容性等，還需要考慮如何做到故障的自診斷和主動防護，如絕緣狀態監控、高壓互鎖檢測、接觸阻抗檢測等，確保在故障發生的初期就主動介入，將風險降到最低。